CN113130918A - 一种高催化性的m-n-c催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高催化性的m-n-c催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高催化性的M‑N‑C催化剂,该M‑N‑C催化剂中的N与金属M单原子结合,该金属M单原子还结合有氧化铈。本发明还公开了一种高催化性的M‑N‑C催化剂的制备方法,包括如下步骤:将含氮聚合物均匀分散于金属M盐与铈盐的混合溶液中,得到前驱体;对前驱体进行高温热处理。本发明首次制备出氧化铈修饰的单原子M‑N‑C催化剂,首次提出通过其中氧化铈化学地抓捕固定金属M单原子,大幅提高M‑N‑C催化剂中金属M单原子的浓度。此外,由于本发明的催化剂使单原子活性位点更多地暴露于催化剂表面,由此提高获得的催化剂产物的催化性。本发明的制备方法操作简单,免去了辅助剂后续的后处理过程。

Description

一种高催化性的M-N-C催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电催化领域,特别地,涉及一种高催化性的M-N-C催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
M-N-C材料由于其廉价、催化性能优异、化学稳定性好等优势,故而在催化领域备受关注。高温热解含金属(M)、氮(N)、碳(C)源的前驱体是目前制备M-N-C材料中最常规的方法。但是,在高温条件下,金属原子容易发生迁移和团聚,形成低活性的金属纳米颗粒,金属单原子的浓度较低,以至于现有的M-N-C材料表现出的催化性能(如:氧还原反应、氢析出反应、二氧化碳还原反应等)并不太理想。为了提高金属单原子的浓度,目前已报道了诸多方法,如:氧化硅保护辅助法、纳米限域法、原子隔离法等,能有效地制备M-N-C催化剂,其中的金属单原子的浓度提高,其催化性能也得到了提升。
但是,现有技术,如:氧化硅保护辅助法、纳米限域法、原子隔离法等,都是通过外加辅助剂物理地限制金属单原子迁移和团聚,以达到提高金属单原子浓度的目的。这些技术的缺点在于:1、辅助剂需要通过强酸强碱在苛刻的环境下去除,这一过程既危险又污染环境,并且还耗时耗能,不利于其工业化推广;2、物理地辅助虽然可以提高M-N-C材料中金属单原子浓度,但是其作用效果有限,制备的M-N-C材料中金属M单原子依然浓度普遍较低,在ACS Catal.2019,9,7,5929-5934;J.Mater.Chem.A.2019,7,14478-14482;NPG AsiaMater.2018,10,e461中公开了单原子Fe-N-C催化剂中Fe单原子的浓度低于2.0wt.%。因此,目前急需一种更高效的单原子M-N-C催化剂的制备方法,其进一步提高金属单原子浓度,从而获得一种高催化性的单原子M-N-C催化剂。
发明内容
针对上述技术问题,本发明的目的在于提供一种高催化性的M-N-C催化剂,其含有较高浓度的金属单原子,展现出高的催化性能。
为了实现上述目的,本发明提供一种高催化性的M-N-C催化剂,该M-N-C催化剂中的N与金属M单原子结合,该金属M单原子还结合有氧化铈。
进一步地,该催化剂中的金属M单原子的浓度为3-8wt%,优选为4.6wt.%。本申请中金属单原子的浓度相比现有技术普遍低于2wt.%的浓度得到了大幅度提高,这使得可以大幅提升M-N-C催化剂的催化性能。
本发明的另一目的在于提供一种高催化性的M-N-C催化剂的制备方法,该方法操作简单,能有效地提高产物中的金属M单原子浓度,由此获得具有高催化性的催化剂,并且不用额外去除添加的辅助剂。
为了实现上述目的,本发明采用下列技术方案。
本发明提供一种高催化性的M-N-C催化剂的制备方法,包括如下步骤:
将含氮聚合物均匀分散于金属M盐与铈盐的混合溶液中,得到前驱体。聚合物的含氮基团可以吸附金属M离子和铈离子,吸附越充分,越有利于提高金属M单原子的浓度;
对前驱体进行高温热处理。金属M盐在高温热处理下生成金属M单原子。铈盐在高温热处理下会生成氧化铈,其具有储存和释放氧的性能,可以化学地抓捕固定金属单原子,尤其在高温条件下,金属单原子会稳定在氧化铈的表面,不容易迁移,从而能有效地抑制金属M原子团聚,使其直接转化为孤立存在的M单原子活性位点,大幅度提高单原子浓度。此外,氧化铈具有Ce3+/Ce4+氧化还原对,在催化反应中具有优异的催化活性,不要另外去除,免去了耗时耗能且危险的强酸强碱后处理过程。
此方法利用氧化铈辅助限制金属M原子迁移和团聚,又可解决现有制备单原子M-N-C催化剂方法处理效能低且还需复杂的后处理过程的缺点。
进一步地,含氮聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚多巴胺。
进一步地,金属M盐为Fe、Co、Ni中的一种或多种的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、草酸盐或氯化物。
进一步地,铈盐为硝酸铈、硫酸铈、醋酸铈、草酸铈或氯化铈。
进一步地,高温热处理包括如下步骤:保持温度为700-1100℃,在惰性气氛下保持5-180分钟,然后在氨气气氛保持0-180分钟,氨气气氛的存在活化M-N-C催化剂,进一步提高氧还原反应(ORR)的催化性能。
进一步地,含氮聚合物为纳米线的形式,这样可以大幅度提高最终金属M单原子活性位点的催化利用率。
进一步地,金属M盐的浓度为0.01-0.1mol/L,铈盐的浓度为0.01-1.0mol/L。
本发明的另一目的在于提供一种本发明的M-N-C催化剂在制备碱性燃料电池中的应用,由于其中催化剂的催化性能更高,在电池中能获得更高的半波电位,产品的输出功率也更高。
本发明的有益效果
本发明首次制备出氧化铈修饰的单原子M-N-C催化剂,首次提出通过其中氧化铈化学地抓捕固定金属M单原子,大幅提高M-N-C催化剂中金属M单原子的浓度,此外,由于本发明的催化剂使单原子活性位点更多地暴露于催化剂表面,由此提高获得的催化剂产物的催化性能。本发明的制备方法操作简单,免去了辅助剂后续的后处理过程。
附图说明
图1为制备本发明的Fe-N-C催化剂(Ce/Fe-NCNW)的流程图;
图2为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂与CeO2的XRD图;
图3为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂的透射电镜图;
图4为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂与ZIF-8衍生催化剂制成的碱性氢氧燃料电池性能的对比图;
图5为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂制成的碱性氢氧燃料电池的性能图;
图6为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂、对比例1的Fe-NCNW催化剂和Fe箔的扩展X射线吸收精细结构谱图;
图7为本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂和对比例1的Fe-NCNW催化剂的氧还原极化曲线。
具体实施方式
下面结合附图以优选实施例的方式对本发明进行详细描述。
实施例1
参照图1所示的流程,首先制备聚吡咯纳米线。将0.73g溴化十六烷基三甲基铵加入到60mL 1.0M盐酸溶液中,并充分搅拌形成均一透明溶液后,加入1.37g过硫酸铵,立刻形成白色乳状沉淀,即为氧化的溴化十六烷基三甲基铵纳米线模板。然后,用移液枪逐滴滴加0.5mL吡咯单体,其立即氧化聚合于模板表面,形成聚吡咯纳米线。随后用去离子水和乙醇清洗数次,进行抽滤,收集聚吡咯纳米线。
在室温下,将制备得到的聚吡咯纳米线加至0.07mol/L的硝酸铁和0.07mol/L的硝酸铈溶液中,搅拌均匀,真空抽滤得到铁离子和铈离子修饰的聚吡咯纳米线前驱体。
最后,对上述聚吡咯纳米线前驱体进行高温热解,保持温度为900℃,保持在氮气气氛30分钟,然后转换为保持在氨气气氛30分钟,得到Ce/Fe-N-C(Ce/Fe-NCNW)催化剂产物。
图2示出了得到的催化剂产物Ce/Fe-NCNW的XRD图,将其与CeO2的XRD图对比,看到它们在相同的地方具有峰值,说明得到的催化剂产物中含有CeO2。将得到的Fe-N-C催化剂产物进行投射电镜观察,如图3所示,能看到在产物Ce/Fe-NCNW的表面分布的氧化铈的纳米颗粒。
实施例2
将实施例1制得的Ce/Fe-NCNW催化剂组装成碱性燃料电池。
在进气量为500sccm的H2和300sccm的O2条件下进行测试,图4对比了其与现有的ZIF-8衍生F-N-C催化剂制备的碱性燃料电池的性能,前者的输出功率为372mW cm-2,大于后者的115mW cm-2
在1400sccm的H2和700sccm的O2条件下进行测试,测得其输出功率高达500mW cm-2,如图5所示,属于世界前列水平。
对比例1
按照实施例1的详细步骤进行操作,其不同仅在于不添加硝酸铈溶液,最后得到传统的Fe-N-C催化剂(Fe-NCNW)产物。
图6示出了本发明实施例1的Ce/Fe-NCNW催化剂、对比例1的Fe-NCNW催化剂和Fe箔的扩展X射线吸收精细结构谱图的傅里叶变换谱图。在图中可以看出,铁箔在
Figure BDA0002350852420000041
左右出现了块状铁的Fe-Fe特征峰。对比例1的Fe-NCNW在
Figure BDA0002350852420000042
左右出现了纳米铁的Fe-Fe特征峰,同时在
Figure BDA0002350852420000043
左右的Fe-N键特征峰处有小坡,表明对比例1的Fe-NCNW既有Fe原子团聚形成的纳米颗粒,又有与N结合的单原子Fe。实施例1的Ce/Fe-NCNW仅在1.4左右出现了Fe-N的特征峰,表明实施例1制备的催化剂基本没有铁原子的团聚,进一步证实了实施例1的催化剂的铁的单原子浓度得到大幅度提高。
在氧气饱和0.1M KOH溶液中,对实施例1的Ce/Fe-NCNW和对比例1的Fe-NCNW进用标准三电极进行电催化氧还原反应测试,结果如图7所示,Fe-NCNW催化剂的半波电位为0.88V,Ce/Fe-NCNW催化剂的半波电位更高,高达0.915V,表明催化性得到大幅度提升。
应当理解,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。这里无法对所有的实施方式予以穷举,对于本领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,比如实施例的简单合并等。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或改变仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种高催化性的M-N-C催化剂,所述M-N-C催化剂中的N与金属M单原子结合,其特征在于,所述金属M单原子还结合有氧化铈。
2.根据权利要求1所述的M-N-C催化剂,其特征在于,所述金属M单原子的浓度为3wt.%-8wt.%。
3.一种高催化性的M-N-C催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将含氮聚合物均匀分散于金属M盐与铈盐的混合溶液中,得到前驱体;
对所述前驱体进行高温热处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述含氮聚合物为聚吡咯、聚苯胺或聚多巴胺。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述金属M盐为Fe、Co、Ni中的一种或多种的硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、草酸盐或氯化物。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述铈盐为硝酸铈、硫酸铈、醋酸铈、草酸铈或氯化铈。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述高温热处理包括如下步骤:保持温度为700-1100℃,在惰性气氛下保持5-180分钟,然后在氨气气氛保持0-180分钟。
8.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述含氮聚合物为纳米线的形式。
9.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述金属M盐的浓度为0.01-0.1mol/L,所述铈盐的浓度为0.01-1.0mol/L。
10.一种由权利要求1所述的M-N-C催化剂在制备碱性燃料电池中的应用。
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